СПОСОБ "МЕТАСВЯЗЬ" ЭФИРНОЙ ПЕРЕДАЧИ-ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК H04B7/10 

Изобретение относится к области радиосвязи и радиолокации и может использоваться в беспроводных информационных коммуникациях как узкополосных, так и широкополосных системах связи без изменения существующих стандартов, в телевидении, в радиолокации, в том числе и подповерхностной, в точном наведении управляемых объектов, в глобальных навигационных системах, в космической связи и управлении.

Борьба с помехами в системах беспроводной связи является определяющей для увеличения дальности ее использования. В практике радиосвязи существует несколько возможностей увеличения дальности связи - увеличение мощности передаваемого сигнала, увеличение чувствительности приема и распределение сигнала в широкой полосе. Увеличение мощности передачи обычно ограничено ситуацией (например, допустимым весом передатчика в условиях спутниковой связи) или методом связи (например, мобильной связи, где увеличение мощности ограничено требованием безопасности пользователя). Увеличение чувствительности приемника ограничено среднеквадратичной мощностью помех.

До последней четверти прошлого века практически основным эфирным видом связи была узкополосная связь. Она отличается слабой помехоустойчивостью, и достаточно мощная помеха естественного или искусственного происхождения могла вывести приемное устройство (ПУ) из строя, а даже сравнительно небольшие помехи в рабочей полосе частот приводили к потере информации.

Известен способ защиты от импульсной помехи приемного тракта (RU 2153767, кл.⁷ Н 04 В 1/10, Н 04 Q 1/10, 17.03.98). Способ осуществляется путем закрывания тракта на время воздействия импульсной помехи, предохраняя тем самым ПУ от выхода из строя. Фактически подавляется не помеха, а канал на время действия помехи. При этом теряется часть информации, и связь оказывается неэффективной во время значительного развития помех, например, при прохождении грозового фронта или в районе высокой напряженности горных пород непосредственно перед магистральным разломом в очаге землетрясения.

Значительную часть проблем борьбы с помехами решил метод широкополосной системы связи, запас помехоустойчивости которого обеспечивается базой используемого шумоподобного сигнала (длительностью псевдослучайной последовательности). Однако в условиях растущего количества работающих систем беспроводной связи, которое наблюдается в последнее десятилетие, при общем росте энергонасыщенности регионов жизнедеятельности людей возникают ситуации, когда уровень помех, поступающих на вход широкополосной системы связи (ШСС), превышает возможности динамического диапазона приемного устройства.

Аналогичная ситуация возможна и в случае целенаправленного подавления действующей системы связи мощной узкополосной помехой, поскольку именно узкополосную помеху легче всего генерировать постановщику помех. В этом случае входные СВЧ-каскады приемного устройства, а именно входной усилитель и смеситель, переходят в нелинейный режим работы. Искажения полезного шумоподобного сигнала, возникающие вследствие нелинейных преобразований во входных каскадах приемного устройства, невозможно компенсировать последующей цифровой обработкой, так как характер таких искажений трудно предсказуем.

Известны широкополосные системы связи или системы, использующие для кодирования информации шумоподобные сигналы (ШПС) [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.]. Одним из важнейших достоинств ШСС, обеспечивших их стремительное развитие, является высокая устойчивость по отношению к широкому классу помех как искусственного, так и естественного происхождения. Помехоустойчивость ШСС определяется отношением мощности сигнала и мощности помехи на выходе согласованного фильтра (коррелятора):

где Р_С и Р_П - мощность сигнала и мощность помехи на входе приемного устройства;

В=FT- база используемого ШПС.

Приведенное соотношение означает, что при фиксированных значениях Р_С и Р_П на входе приемного устройства ШСС повысить помехоустойчивость q на выходе ПУ можно, только увеличивая базу используемого шумоподобного сигнала.

Известен способ корреляционной обработки широкополосных сигналов (RU 2153701, кл.⁷ G 06 G 7/19, Н 04 В 1/10, 16.04.1998), состоящий в выделении помехи путем перемножения входной смеси помехи и полезного сигнала с опорным широкополосным сигналом, синхронным с полезным широкополосным сигналом, и дальнейшей режекции полученного сигнала.

Способ предусматривает выход из реального времени прохождения сигнала путем задержки его на время, превышающее длительность шумоподобного сигнала, что при большой загрузке базовой станции приводит к ограничению количества одновременного обслуживания абонентов и снижению скорости передачи информации. Кроме того, усложняется канал обработки из-за использования нескольких перемножителей, вычитателей сигналов, полосовых фильтров. И, самое главное, применение способа эффективно только в случае неперегрузки входных каскадов - усилителей и смесителей.

Наиболее близким по существу и принятым в качестве прототипа является способ подавления, используемый для защиты ШСС от помех, уровень которых превышает обеспечиваемый базой допустимый запас помехоустойчивости [Милстайн Л.Б. Методы подавления помех в системах радиосвязи с широкополосными сигналами. - ТИИЭР. -1988. - Т. 76, №6. - С. 19-36]. Способ состоит в компенсации помехи в ПУ путем создания ее копии с последующим вычитанием созданной копии помехи из входного сигнала. При этом полагают, что входные сверхвысокочастотные (СВЧ) каскады ПУ не перегружены, то есть преобразуют входную смесь полезного сигнала, шума и помех линейно, не внося значительных искажений в принимаемый сигнал.

Однако в случае перегрузки входных каскадов ПУ искажения сигнала входными СВЧ-каскадами не позволяют создать копию помехи, и потеря уникальной для пользователя информации может оказаться фатальной.

Предлагаемый способ позволяет защитить от помех любую систему эфирной связи или радиолокационную систему, в том числе подповерхностного зондирования, независимо от вида модуляции и используемой полосы частот за счет того, что возбуждают и принимают радиосигналы поляризованными антеннами, причем принимают поляризованный радиосигнал, вычитая сигнал антенны одной поляризации из сигнала антенны противоположной поляризации. Возможна передача информации, когда антенны противоположной поляризации возбуждают сигналами в противофазе, и направленная передача-прием информации с защитой от перехвата, когда антенны одинаковой поляризации относят соосно по направлению на передатчик-приемник на одинаковое расстояние, а возбуждаемый сигнал разбивают на фрагменты, возбуждают в одной антенне сигнал, содержащий последовательность нечетных фрагментов с сохранением времени длительности четных фрагментов, и, спустя время длительности первого фрагмента, возбуждают в противофазе сигнал, содержащий последовательность четных фрагментов с сохранением времени длительности нечетных фрагментов.

Использование способа приводит к эффективному подавлению практически всех видов помех, за исключением тепловых шумов, которые и определяют нижнюю границу рабочего динамического диапазона.

Известно устройство исследования горных пород в скважине по заявке Франции (FR 2613842, кл.⁴ G 01 V 3/30, Е 21 В 47/04, 14.10.88), содержащее два синхронных передатчика, излучающих высокочастотные электромагнитные импульсы в противофазе, и приемник, выход которого подключен к каналу обработки и регистрации. Антенны передатчиков расположены симметрично относительно антенны приемника и в одной с ней плоскости, параллельной поверхности исследования. При работе устройства в однородной среде принимаемый суммарный от обеих передающих антенн сигнал близок нулю, что несколько расширяет верхнюю границу динамического диапазона устройства. При появлении на профиле исследования (стенке скважины) неоднородности баланс разностного излучаемого сигнала резко нарушается и приемный сигнал становится аномально различимым. Однако устройство не позволяет получить снижение нижней границы динамического диапазона, определяемой уровнем помех, и поэтому чувствительность устройства посредственная.

Известное устройство “Дифференциальный радар” (RU 2148842, кл.⁶ G 01 V 3/12, 10.05.2000) является наиболее близким по технической сущности. Это устройство содержит одну передающую, две приемные вибраторные антенны и канал обработки и регистрации с подключением одной приемной антенны к каналу обработки и регистрации через фазоинвертор и сумматор а второй - через сумматор, что значительно раздвигает границы динамического диапазона за счет уменьшения в канале обработки суммарного прямого принимаемого антеннами излучаемого сигнала и снижения уровня синфазных помех. Кроме того, взаимное расположение антенн позволяет значительно обострить максимум характеристики направленности.

Однако, несмотря на высокое помехоподавление и улучшение характеристики направленности, разностный сигнал такого устройства во много раз ниже принимаемого сигнала антенны. Поэтому значительное расширение динамического диапазона устройства за счет высокого помехоподавления не используется в полной мере, и это не позволяет достичь высокой эффективности съемки.

Кроме того, расстояния между антеннами локатора и длинами их вибраторов определяются требованием создания рефлектно-директорной антенной системы, т.е. каждая из антенн локатора должна являться для другой антенны либо директором, либо рефлектором. Это значит, что все антенны имеют несколько отличные друг от друга длины вибраторов, то есть являются не идентичными по отношению к принимаемому сигналу, в том числе и к помехе, что снижает качество помехоподавления. Ясно, что при перемещении во время зондирования по профилю все параметры этого тонко настроенного локатора будут меняться в зависимости от изменения электрических параметров поверхности зондирования, находящейся в ближней зоне локатора. Это также затруднит получение точной измерительной процедуры.

Некоторую задержку вносит в один из приемных каналов фазоинвертор, что также снижает идентичность каналов и качество помехоподавления.

Предлагаемое устройство лишено указанных недостатков и обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики за счет того, что в устройстве, содержащем одну передающую и две приемные антенны, причем все антенны являются поляризованными и приемные антенны имеют взаимно противоположную направленность поляризации, приемные антенны подключены параллельно и в противофазе (параллельно-последовательно), а выход их подключен к входным цепям приемного устройства. Как вариант - передающих антенн две и они имеют противоположную направленность поляризации и соединены так же, как и приемные - параллельно-последовательно, что увеличивает амплитуду принимаемого полезного разностного сигнала вдвое в сравнении с первичным, принимаемым одной из антенн. При этом эффективно подавляются все сигналы, отличающиеся от полезного сигнала тем, что поступают на антенны разной поляризации софазно.

Сущность изобретения отражена на чертежах, где на фиг.1 представлены временные графики сигналов, поступающих с приемных антенн, и разностный сигнал, а на фиг.2 показано подсоединение антенн для возбуждения сигнала в противофазе или приема сигнала в режиме вычитания.

Сущность предлагаемого способа пояснена на фиг.1

На графике 1 фиг.1 представлен полезный сигнал с помехой 4, возбужденный в противофазе двумя противоположно поляризованными антеннами, принятый одной из поляризованных приемных антенн. На графике 2 - сигнал с той же помехой 4, принятый другой антенной. На графике 3 - разностный сигнал антенн на входе приемного устройства.

На фиг.2 приведена схема соединения двух антенн 5 и 6 противоположной поляризации, например циркулярной, и условный график выходного-входного сигнала 7–7¹ на входе-выходе антенн 5 и 6, включенных параллельно-последовательно.

Как известно, поляризацию всякого сигнала можно теоретически разложить на две составляющие - на две взаимно перпендикулярные линейные поляризации либо на две противоположного вращения циркулярные составляющие. Оба представления эквиваленты, но предпочтительнее то, которое соответствует поляризационным дискриминациям приемных антенн.

Помехи с большой вероятностью неполяризованы, то есть содержат равную смесь обеих базовых циркулярных поляризаций. Антенна выбирает свою поляризацию и отсеивает другую. Поэтому сигнал от помехи в двух приемных, идентичных во всем, за исключением направления поляризации, параллельно размещенных и пространственно максимально сближенных поляризованных антеннах будет одинаков, какова бы ни была их поляризованность, либо потому что антенны поляризованы одинаково, либо - хотя противоположной поляризации, но в помехе поровну каждой поляризации.

Полезный сигнал, переданный в противофазе двумя антеннами противоположной поляризации, воспримется двумя антеннами противоположной поляризации, расположенными как можно ближе друг к другу, именно так, как сигнал был передан - каждой антенной в противофазе между собой (1, 2, фиг.1). Поляризационные составляющие помехи будут восприняты обеими антеннами в единой фазе (4, фиг.1). Поскольку поляризационные составляющие помехи равны, то при вычитании сигналов антенн они взаимно уничтожатся, а полезный сигнал при вычитании в противофазе удвоится по амплитуде (3, фиг.1). Это улучшает соотношение “сигнал-помеха” и позволяет надежно выделять полезный разностный сигнал на фоне любых по интенсивности помех, так как подавление помех происходит еще на входе сверхвысокочастотных входных усилителей и смесителей, избавляя их от перегрузки.

В отличие от прототипа, где создается копия помехи с последующим вычитанием ее из смеси полезного сигнала и помехи (тепловые шумы дают малый в сравнении с помехой вклад), способ “МетаСВЯЗЬ” позволяет подавить помеху, не создавая ее копии, в какой-то степени приближенной к оригиналу, то есть без аппаратурных затрат еще на входе электронных узлов приемного устройства.

Можно отметить, что если сигналы антенн сложить, то есть подключить антенны не параллельно-последовательно, а параллельно, то суммарный сигнал будет представлять собой удвоенный по амплитуде сигнал помехи без присутствия полезного сигнала.

Легко представить, что если сигнал передается только одной поляризованной антенной, то из двух приемных антенн он воспримется только той антенной, поляризация которой соответствует поляризации передаваемого сигнала. Вторая приемная антенна, поляризация которой противоположна поляризации сигнала, его не воспримет. Но помеха воспримется обеими антеннами в равной мере и в единой фазе и при вычитании сигналов антенн взаимно уничтожится. Полезный же сигнал выделится в фазе или в противофазе без изменения.

Предлагаемый способ позволяет осуществить связь в случае требования повышенной защищенности от перехвата. Для этого необходимо антенны одинаковой поляризации в приемнике и передатчике отнести соосно по направлению на передатчик-приемник на одинаковое расстояние, а возбуждаемый сигнал разбить на фрагменты, и передавать эти фрагменты поочередно то одной, то другой антеннами, то есть возбуждать в одной антенне сигнал, содержащий последовательность нечетных фрагментов с сохранением времени длительности четных фрагментов, и через время длительности первого фрагмента возбуждать в противофазе сигнал в другой антенне, содержащий последовательность четных фрагментов с сохранением времени длительности нечетных фрагментов.

Поскольку антенны одинаковой поляризации у приемника и передатчика отнесены навстречу друг другу, то расстояние прохождения сигналов каждой поляризации одинаково (необходимо помнить, что сигнал, возбужденный антенной, например, левой циркулярной поляризации, воспринимается на дальности прямого видения или в зеркальном отражении, например, от плоской границы раздела сред только антенной правой циркулярной поляризации). На приемном конце линии связи при вычитании сигнала одной антенны из сигнала другой произойдет как бы “встраивание” последовательности четных фрагментов в последовательность нечетных, составляя единый передаваемый сигнал. Перехватить его, не зная расстояния разноса между передающими антеннами, которое на сеансах связи может и не повторяться, будет весьма проблематично.

В результате получаем скрытый, помехоустойчивый канал связи, прием информации в котором возможен только в том случае, если известны расстояния разноса антенн и направление луча связи, определяемое на передающей стороне.

Устройство на фиг.2 пригодно и для передачи и для приема сигналов. В случае передачи сигнала антенны подключены к выходу оконечного усилителя мощности, и в них при поступлении сигнала на общий вход 7 возбуждается сигнал в фазе - в одной антенне и в противофазе - в другой. В режиме приема сигнал одной антенны вычитается из сигнала другой, и антенны подключены к входным цепям приемного устройства 7¹. Емкость С, соединяющая одну из входных-выходных шин с потенциалом “общей” точки по переменному току, приведена на фиг.2, чтобы условно показать возможность фазирования сигнала.

Надо отметить, что предлагаемый способ эфирной передачи-приема информации “МетаСВЯЗЬ” является универсальным способом подавления помех, независимо от того, является ли связь узкополосной или широкополосной. Этот способ может быть использован с имеющимися видами аппаратуры связи и распространяется на беспроводные локальные компьютерные сети, сотовую связь (вплоть до глобальных информационных систем), персональные системы телекоммуникаций независимо от существующих стандартов - достаточно только осуществить подсоединение двух антенн противоположной поляризации, включенных параллельно-последовательно, в соответствии с фиг.2.

Эффективное подавление помех приведет к упрощению приемных трактов. Так, можно с уверенностью сказать, что отпадает необходимость в заградительных, режекторных и других фильтрах, в том числе и адаптивного использования.

Эффективное подавление помех повлечет увеличение дальности надежной связи без увеличения мощности передачи, что, в свою очередь, открывает перспективы возможности связи между абонентами сотовой сети напрямую (если они находятся в пределах прямой видимости), минуя ретрансляционную сеть и базовые станции. Да и сама ретрансляционная сеть станет более разряженной, а стоимость сотовой связи - дешевле.

Возможно значительное снижение мощности передачи сотового телефона.

Теоретически возможный аппаратурный динамический диапазон сотовой связи составляет 120 дБ (от единиц микровольт - тепловые шумы современных входных полупроводниковых схем - до единиц вольт). Практически помехи достигают 60 дБ. Так, в Риге (Латвия) интегральный уровень помех на выходе дипольной 180-мегагерцевой антенны составил 600-800 мкВ в разное время суток. В Объединенных Арабских Эмиратах (г. Абу Даби) уровень помех составил уже 1000-1500 мкВ. Это можно объяснить близостью зоны тропических гроз и большой энергонасыщенностью района.

Увеличение динамического диапазона на 20 дБ отдалит границу надежной связи в пределах прямой видимости в 10 раз. Поэтому необходимо либо повышать передающий сигнал по мощности на 40 дБ, то есть увеличивать мощность передатчика в 100 раз, что недопустимо с точки зрения эргономики и экологии, либо эффективно снижать влияние помех.

Необходимо отметить, что предлагаемый способ одинаково эффективен на всех частотных диапазонах. Это особенно важно для коротковолнового (KB) диапазона, где способ с использованием шумоподобных сигналов не столь эффективен. В KB-диапазоне, где в распространении сигналов решающую роль играет ионосфера, преимущество осталось за узкополосным сигналом в обычном смысле (ширина спектра с учетом расширения не должна была превышать нескольких десятков килогерц). Это означает, что скорость передачи информации по такому каналу не может быть более чем килобит/сек. В противном случае происходят искажения сигнала, связанные с неодинаковыми условиями распространения спектральных составляющих сигнала. Это объясняется тем, что прием ШПС представляет собой собирание сигнала в широкой полосе частот, а разбалансирование спектральных составляющих сигнала, особенно по фазе, приводит к селективным искажениям.

В полной мере преимущества шумоподобных сигналов (ШПС) реализуются в УКВ-диапазонах и на более высоких частотах. При этом скорость передачи информации и степень расширения спектра ничем не ограничиваются, кроме трудностей технической реализации, заключающихся, в основном, в ограничении временных параметров электронных устройств. Применение предлагаемого способа позволит уменьшить базу ШПС, тем самым снижая требования к быстродействию электроники, или при той же базе увеличить допустимое количество одновременных абонентов и скорость передачи информации.

Технику связи с использованием шумоподобных сигналов уже давно используют в радиолокации, где, кстати, впервые проявились основные преимущества подобных сигналов. В радиолокации дальность обнаружения цели определяется энергией импульса, то есть произведением мощности на его длительность. Увеличение дальности обнаружения путем наращивания мощности имеет свои технические пределы. Увеличение длительности импульса ухудшает другой параметр - разрешающую способность, которая определяет возможность обнаруживать цели. Возникающее противоречие разрешается применением сложных сигналов, представляющих длинный высокочастотный импульс, манипулированный по фазе по закону псевдослучайной последовательности сигналов.

В приемнике с помощью коррелятора длинный импульс сжимается до длительности элемента сигнала псевдослучайной последовательности, энергия же существенно возрастает за счет увеличения числа элементов псевдослучайной последовательности, благодаря чему улучшается разрешающая способность и увеличивается дальность обнаружения.

Но для работы коррелятора необходима копия сигнала, что создает дополнительные трудности, поскольку точное значение частоты и других параметров сигнала на приемном конце может быть неизвестно. Кроме того, корреляционные измерители отличаются аппаратурной громоздкостью - в простейшем случае это перемножитель, интегратор, пороговое устройство. А для просмотра всей дальности (обнаружение целей на одном азимуте при различных удалениях) корреляторы должны быть многоканальными.

Использование предлагаемого способа позволит перейти в радиолокации к простым зондирующим сигналам, значительно упрощая радиолокационную аппаратуру. Это же касается и навигационной аппаратуры.

Для проведения экспериментов по изобретению требования к излучаемому-принимаемому сверхширокополосному сигналу являлись определяющими при выборе типа антенны.

Наиболее сверхширокополосной и частотно независимой антенной является логопериодическая спираль, изобретенная Рамзеем (Ramsey V.H., 1957 IRE Nat Con. Rec 1 (1957), 114). Она построена с использованием принципа углов (Рамзей, см. выше), принципа взаимодополнительности (Dyson J.D. IRE Trans., АР-7 (1959), 181) и принципа логарифмической периодичности (Сверхширокополосные антенны. Под ред. Л.С. Бененсона, М.: Мир, 1964).

Многочисленные эксперименты показали, что в полосе частот с перекрытием 1:20 параметры антенны (входное сопротивление, диаграмма направленности) практически не изменяются. Диаграмма направленности (ДН) логоспиральной антенны имеет осевую симметрию, и при ширине лепестка ДН 70-80° (по уровню 3 дБ) такая антенна выигрывает в коэффициенте усиления в сравнении с биконической или дипольной 10 дБ в диапазоне от 0,2 ГГц до 3,6 ГГц. КСВН логоспиральной антенны не превысило 1,7 во всем диапазоне частот. Сопротивление антенны Z₀=189 Ом.

Еще одно достоинство спиральной антенны заключается в том, что она взаимодействует только с циркулярно поляризованной волной определенной поляризации. Например, излучает и принимает электромагнитную волну только левой поляризации. При зеркальном отражении от плоской границы раздела двух сред поляризация отраженной волны обратно поляризации падающей волны. И антенна к электромагнитной волне такой поляризации нечувствительна.

Расчеты показали, что несовпадением фазового центра различных Фурье-гармоник для выбранного типа антенны в рабочем диапазоне частот можно пренебречь.

При проведении натурных экспериментов с аппаратурой радара для подповерхностного зондирования по предлагаемому изобретению выяснилось, что эффективность подавления помех в значительной степени зависит от идентичности приемных антенн и в экспериментах превысила 40 дБ. Поэтому изготовление пар антенн необходимо осуществлять печатным способом с единого фотошаблона.

Изобретение относится к области связи, осуществляемой с использованием радиорелейных систем связи, космических линий. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости системы связи. Для этого возбуждают передаваемый сигнал в противоположных поляризациях и принимают с антенн разностный сигнал. Антенны включены параллельно-последовательно. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ “МетаСВЯЗЬ” эфирной передачи-приема информации, заключающийся в применении на передаче антенн противоположного направления поляризации, возбуждении их информационным сигналом, а на приеме - в компенсации помехи с использованием вычитания сигнала антенны одной поляризации из сигнала антенны противоположной поляризации, отличающийся тем, что антенны передачи и приема включают параллельно-последовательно для противофазного возбуждения на передаче, а на приеме принимаемый с антенн разностный информационный сигнал подают к входным цепям приемного устройства.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что антенны одинаковой поляризации в приемнике и передатчике относят соосно по направлению на передатчик и приемник на одинаковое расстояние.3. Устройство “МетаСВЯЗЬ” эфирной передачи-приема информации, содержащее блок антенн, подключенных на передаче к выходу оконечного усилителя передающего устройства, а на приеме к входным цепям приемного устройства, отличающееся тем, что антенны блока антенн выполнены с противоположной поляризацией, расположены соосно и соединены паралельно-последовательно для их противофазного возбуждения на передаче и получения разностного сигнала на приеме.